Графики скалярного поля, объемные и линейные графики: визуализация результатов на примере радиатора

Чтобы продемонстрировать порой загадочные физические явления, лежащие в основе работы устройства, вы можете отобразить графики с результатами моделирования поверх геометрии модели. Знание инструментов обработки, подобно знанию иностранных языков, позволяет проектировщикам детальнее изучать и анализировать конструкции и процессы. Графики скалярного поля, объемные и линейные графики — три самых часто используемых в постобработке типа графиков, применимых ко многим моделям.

Представляем три типа графиков в COMSOL Multiphysics

Я продемонстрирую эти три вида графиков на примере алюминиевого радиатора — устройства, часто используемого для охлаждения компонентов электрических схем. Эта модель доступна в Библиотеке моделей COMSOL Multiphysics, если у вас установлен модуль Теплопередача или модуль Вычислительная гидродинамика.

Радиатор сделан из алюминия, состоит из групп стержней, обеспечивающих охлаждение, и помещен на пластину из кварцевого стекла. В этой модели радиатор установлен внутри прямоугольного канала с входным и выходным отверстиями для воздуха. Через основание радиатора изначально проходит тепловой поток величиной 1 Вт от внешнего источника.

При расчете градиентов температур и охлаждающей способности модель учитывает взаимосвязанные тепловые и гидродинамические эффекты, появляющиеся из-за теплопроводности и конвекции.

Графики скалярного поля

В некоторых случаях для визуализации параметров графиков в COMSOL Multiphysics удобнее всего использовать графики скалярного поля. Эти графики отображают значения физических величин на границах геометрической модели. Графики можно добавить, щелкнув правой кнопкой мыши узел Results (Результаты) в Построителе моделей или выбрав вкладку Results (Результаты) на ленте.

Сначала я создам группу 3D-графиков, а затем добавлю к ней график скалярного поля. (Когда вы создаете группу 3D-графиков с помощью ленты, появляется новая вкладка с названием 3D Plot Group 1 (Группа 3D-графиков 1). Вы можете добавлять графики скалярного поля, объемные и линейные графики к этой группе или воспользоваться Построителем моделей.)

Когда вы добавляете график скалярного поля, автоматически создается график, отображающий температуру на всех границах геометрической модели. Однако если я просто создам график скалярного поля, он будет выглядеть примерно так:

Это происходит потому, что воздушная область закрывает нам обзор. Чтобы увидеть внутреннее строение радиатора, я скрою часть данных. В Построителе моделей раскройте узел Component 1 (Компонент 1) > Definitions (Определения) > View (Вид). В узле View (Вид) вы можете скрывать границы, ребра и области, а также управлять освещением модели. (Прочитайте мою статью о Графическом окне, чтобы подробнее узнать о работе с узлом View).

Теперь я щелкну узел View (Вид) правой кнопкой мыши и выберу команду Hide Geometric Entities (Скрыть геометрические объекты). В поле Geometric entity level (Уровень геометрического объекта) я выберу Boundary (Граница). Затем я выберу стороны канала, которые закрывают радиатор (границы 1, 2 и 4). Если вы работаете с той же моделью, можете выбрать заодно и границу 121 — входное сечение канала.

По щелчку границы окрашиваются в пурпурный цвет, подтверждая выделение.

Если я теперь вернусь к группе графиков, мы увидим радиатор целиком:

Заметьте, что добавив в выборку определенные границы на графике — таким же образом, как вы скрывали геометрические объекты, — вы можете отобразить результаты только на выбранных границах. Для этого создайте решение в узле Data Sets (Наборы данных): щелкните правой кнопкой мыши узел Data Sets (Наборы данных) и выберите “Solution” (Решение), затем щелкните правой кнопкой мыши узел Solution (Решение) и выберите команду “Add Selection” (Добавить выборку). Диалоговое окно для создания выборки аналогично окну скрытия объектов: выберите нужный уровень геометрических объектов и щелкните нужные границы, ребра или области. Когда вы создадите новый график, выберите это решение в качестве набора данных.

Настройки цвета и стиля позволяют с легкостью менять внешний вид графиков. Например, для этого графика я изменил цветовую схему на ThermalLight (Тепловой спектр):

Вы также можете менять цвет и диапазон данных графика, перетаскивая ползунки на вкладке Range (Диапазон). Эти две опции позволяют вам отображать результаты в некотором диапазоне значений.

Настраивая цветовую шкалу, вы можете сопоставить цвета, обозначающие максимум и минимум температуры (белый и темно-красный соответственно), и максимальные и минимальные значения в выбранном диапазоне температур. Например, на графике ниже минимум цветовой шкалы соответствует температуре 320 К. Это полезно, если вас интересуют только результаты, попадающие в известный диапазон значений. Так, в этом примере я хочу увидеть градиент в областях радиатора с температурой выше 320 К:

Ручные настройки диапазона значений работают немного по-другому. Они не меняют цвет, которым отображаются значения в выбранном диапазоне, но отображают только те данные, которые лежат между заданным минимумом и максимумом. Увеличивая минимум или уменьшая максимум, вы будете удалять точки данных с графика:

Еще один интересный параметр на вкладке Coloring and Style (Цветовая схема и стиль) — флажок Plot data set edges (Строить ребра из набора данных) в узле 3D Plot Group 1 (Группа 3D-графиков 1). Если вы снимете этот флажок, черные линии, обозначающие ребра геометрической модели, исчезнут с графика. Проще всего это увидеть на графике с измененной цветовой схемой ниже:

Линейные и объемные графики

Линейные и объемные графики можно добавлять так же, как я добавил график скалярного поля в предыдущем примере, щелкнув правой кнопкой мыши узел Results (Результаты) или использовав ленту. Сейчас я добавлю новую группу 3D-графиков с линейным графиком. Я опять использую узел View (Вид), чтобы скрыть ребра канала. Я построил только ребра геометрической модели радиатора. График покажет изменение температуры на отдельных ребрах, чтобы мы могли ясно увидеть, как меняется температура вдоль стержней радиатора:

Примечание. Все показанные примеры используют группы 3D-графиков, но у них есть и двухмерные аналоги. Например, линейный график в группе 2D-графиков будет показывать температуру на ребрах, лежащих в выбранной плоскости.

Объемный график показывает изменения переменной во всей трехмерной области. В отличие от графиков скалярного поля при создании объемных графиков не надо выбирать отдельные границы. Например, чтобы увидеть радиатор отдельно, я мог бы создать график скалярного поля на наборе данных, который включает в себя все границы радиатора. Но на графике ниже я построил график температуры по всему объему области радиатора (без области воздушного канала), и мы можем увидеть градиент температуры.

Методы обработки результатов: продолжение следует

В общих чертах это все, что нужно знать о типах графиков и настройках цветовой схемы и стиля! Надеюсь, эти примеры помогут вам научиться эффективно выполнять постобработку ваших моделей. В этой статье мы рассказали лишь о малой части видов графиков, доступных в COMSOL Multiphysics. В следующих статьях мы покажем другие методы построения графиков: векторные графики, линии тока, контурные графики и специализированные графики для отдельных прикладных задач. Не пропустите! Мы также расскажем о графиках на секущих, которые позволяют отобразить любую физическую величину вдоль произвольно выбранной линии в модели.